基于綜合待行區(qū)指示燈的精細化交通信號控制研究

詹鵬宇 王 晨

1.北方工業(yè)大學城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室，北京 100043；2.武漢市公安局交通管理局，湖北武漢 430022

信號燈歷時百年，從原始的兩色燃氣燈發(fā)展到今天的三色電氣燈，從開始解決路口兩相位通行，到目前解決多相位通行。雖然外觀、形式、表現(xiàn)上不斷演進。但其內(nèi)涵和所發(fā)揮的功能卻始終未有發(fā)展，以其為傳導組成的控制方式，依然停留在行與停的單一指令功能狀態(tài)，雖然解決了“誰能走”、“走多久”的路權分配問題，卻提供不了“如何走”“以什么狀態(tài)走”的引導控制服務；在走與停的狀態(tài)切換間，無法實現(xiàn)通行能力的平穩(wěn)過渡、高效轉(zhuǎn)換，這也正是路口綠燈轉(zhuǎn)換損失及其影響無法消除的根源所在。目前，提升路口通行能力的諸多措施，均集中于交通組織和信號優(yōu)化兩大方向，但局限的空間、有限的時間決定了優(yōu)化手段的窮盡必然到來，調(diào)控瓶頸隨之出現(xiàn)。因此，不從調(diào)控瓶頸存在的根源入手，就不能解決通行能力的再提升問題，信號控制也就無法走出困境。因此，必須針對信號燈控制方式的不足，結合實際應用，創(chuàng)新打造基于駕駛行為干預的精細化控制方式，擴大信號的覆蓋范圍，豐富信息的傳遞途徑，增加干預、引導的控制功能，賦予服務運行、控制狀態(tài)的能力，才能突破當前信號控制乃至交通控制的瓶頸。讓信號控制“亮起來”、“動起來”、“暖起來”，最大限度地減少指令信息阻斷情況的發(fā)生。

隨著機動車待行區(qū)技在國內(nèi)外的廣泛應用，但設置待行區(qū)會增加車輛平均停車次數(shù)、減速停車到再加速過程中的油耗損失、尾氣污染和剎車噪音，并且存在待行區(qū)飽和后啟動波傳遞到進口道停止線之前的車輛不能進入的損失時間。實現(xiàn)不停車通過待行區(qū)技術不僅可以解決上述問題還可以充分挖掘交叉口通行能力，同時也可強化協(xié)調(diào)控制。

1 綜合待行區(qū)設置的基本理論

綜合待行區(qū)是一種特殊的待行區(qū)，其常見的設置方式是在交叉口進口道前設置2條停車線，首次停車線位于待行區(qū)的起點且二次停車線位于待行區(qū)的終點，車輛在由首次停車線到二次停車線的最小行程距離為s。在滿足待行區(qū)等待的車輛不影響正在放行對立相位的交通流通行的條件下，最小行程距離應盡可能長，并可使得首車能以最大車速通過交叉口內(nèi)的沖突區(qū)域，減小車輛通過交叉口的旅行時間提高交叉口的空間利用率。綜合待行區(qū)的實質(zhì)即利用原有的交叉口進口道主停車線前的一段距離設置預信號，從而減小綠燈損失時間，利用待行區(qū)幾何空間提高進口道乃至整個交叉口的綜合交通運行效益。

待行區(qū)的設置分為2種：一種是主干道和主干道交叉口情況，沖突相位的綠燈時間相差不大，設置待行區(qū)可以充分利用交叉口的幾何空間，可以提高專用車道的通行能力；另一種是主干道和次干道交叉口，沖突相位的綠燈時間相差較大，優(yōu)先在次干道設置待行區(qū)，次干道路口空間區(qū)域較大，可以充分利用交叉口的中央?yún)^(qū)域和綠燈時間。待行區(qū)的設置應具備以下幾個條件：

（1）待行區(qū)設置適合用在大型的交叉路口，一般進口道在3條機動車道及以上的交叉口適合設置待行區(qū)；

（2）左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)一般要求具有左轉(zhuǎn)專用車道，并且左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)的設置不能影響對向直行車輛的正常行駛；

（3）進口道直行車輛多，且相鄰交叉口具有相應的消散能力。

2 綜合待行區(qū)信號控制原理

進口道綜合待行區(qū)及信號配時如圖1所示，待行區(qū)指示燈分別設置在首次停車線和二次停車線處且交叉口主信號信控方案為標準四相位，進口道預信號的信號控制方案為兩相位。進口道綜合待行區(qū)及信號配時如圖1所示，待行區(qū)指示燈分別設置在首次停車線和二次停車線處且交叉口主信號信控方案為標準四相位，進口道預信號的信號控制方案為兩相位。預信號綠燈間隔時間的設置是為了確保待行區(qū)有足夠的清空時間，從而避免兩相位車流同時在待行區(qū)內(nèi)排隊的現(xiàn)象，最小綠燈間隔r的臨界值計算方法如式（1）所示。

圖1 綜合待行區(qū)及信號配時示意圖

式中：?—綜合待行區(qū)內(nèi)飽和流率下的車流速度（m/s）；L—機動車在綜合待行區(qū)內(nèi)的平均行駛距離（m）。

為使綜合待行區(qū)達到比較理想的控制效果。應盡量保證預信號直行（左轉(zhuǎn)）綠燈啟亮時間及結束時間較主信號直行（左轉(zhuǎn)）綠燈有一定的提前量t（s）。清空距離為綠燈尾車從待行區(qū)入口越過關鍵點所走的距離，為保證待行區(qū)內(nèi)所有車輛安全通過交叉口，在車流以飽和流率的狀態(tài)通過交叉口時，設有車輛通過交叉口的平均距離為D（m），車的啟動加速度為a（m/s2），待行區(qū)進口指示燈比直行相位綠燈提前亮t（s），確保待行區(qū)內(nèi)不減速車流通過交叉口時沖突相位車流隊尾恰好通過交叉口，此時L-t關系論證如下：

由速度-距離-加設有路口南北向長度為L（m），路網(wǎng)內(nèi)車流速度為v（m/s），車流加速度為a（m/s2）。車流勻速運動情況下，南北向車流通過路口的時間為L/v（s），現(xiàn)假設將東西向停車線前移到相距路口距離為D（m）的位置，東西向車流提前放行的時間為t（s），圖2為北向南、西向東兩股車流剛好行駛至停車線處時的示意圖，其中深色方塊為車輛，N/S/W/E分別代表北/南/西/東。

圖2 停車線示意圖（南北未通過）

以不考慮沖突點與全紅時間的基礎來考慮，為確保西向東車流進入路口時，北向南車流已全部通過路口，此時的兩股車流的位置應如下圖所示，南北向車流剛好通過路口，此時東西向車流正以速度v、車流加速度a的行駛狀態(tài)到達原路口停車線，準備通過路口。

圖3 停車線示意圖（南北已通過）

速度計算公式：

替換參數(shù)，計算可得到綜合待行區(qū)長度L（m），與相位差前移時間t之間的的空間-時間轉(zhuǎn)換L-t公式：

化簡得L與t的表達式：

由式（4）可知，在主相位綠燈啟亮前，直行待行區(qū)的預信號需提前亮t秒，即可滿足車流不停車通過交叉口的需求。

3 仿真分析

3.1 交叉口現(xiàn)狀

如圖4，北京市中關村大街與北四環(huán)輔路交叉口進口到處車道數(shù)大于3條并具有各相位的專用車道，交叉路口的路幅寬度與幾何尺寸較大并滿足最外側(cè)車輛行駛軌跡保持安全距離。因此以北京市中關村大街與北四環(huán)輔路交叉口為例，設置綜合待行區(qū)。

圖4 改造前中關村大街-北四環(huán)輔路交叉口交通組織示意圖

通過實地檢測數(shù)據(jù)獲得的該交叉口各進口道早晚高峰流量，調(diào)查數(shù)據(jù)見表1。

表1 該交叉口各進口道早晚高峰流量調(diào)查數(shù)據(jù)（pch/h）

通過現(xiàn)場調(diào)查得到交通信號控制原始方案，如圖5。

圖5 主信號配時方案

3.2 待行區(qū)設置及仿真結果分析

對交叉口進口道的交通組織形式進行重新設計，圖6為設置綜合待行區(qū)后的交通組織示意圖。

圖6 設置綜合待行區(qū)后中關村大街-北四環(huán)輔路交叉口交通組織示意圖

通過計算可得預信號相對于主信號的提前量，見表2。

表2 預信號相對于主信號的提前量（s）

利用交通仿真軟件vissim對交通運行效益評價指標的分析結果進行仿真驗證。交叉口主信號采用四相位配時設計，對比不同方案的通過車輛數(shù)、車輛延誤、旅行時間、車均停車次數(shù)等交通運行參數(shù)，見表3。

表3 交通運行參數(shù)

可以看到設置綜合待行區(qū)后，早晚高峰時段的車均延誤、平均旅行時間、車均停車次數(shù)較不設置待行區(qū)均有顯著地降低。以上分析結果驗證了設置綜合待行區(qū)能夠有效地提高當進口道流量接近飽和及飽和狀態(tài)下的大型平面交叉口的綜合運行效益；說明了綜合待行區(qū)的設置對于解決高峰時間車流量較大的城市主干路交通擁堵問題具有著積極作用。

4 結語

在城市建設已完成、土地利用已基本成形、路網(wǎng)很難再做出改變的階段，如何優(yōu)化信號控制已成為治理城市擁堵的核心問題。本文通過設置綜合待行區(qū)指示燈對交叉口進行精細化的信號控制，提高了交叉口通行能力，減少了環(huán)境污染和油耗損失?；诒本┦袑嶋H路口實例驗證了該方法的可行性和實用性，該方法同樣可以有效地處理大規(guī)模路網(wǎng)，強化協(xié)調(diào)控制。